钢轨焊接缺陷的产生及预防

2015-06-16王利

科技视界 2015年26期

关键词：灰斑闪光熔池

王利

（济南铁路局工务机械段，山东济南 250000）

0 前言

焊接缺陷对焊接质量的影响非常大，只有明确焊接缺陷的产生原因我们才能更好的控制焊接质量，从而获得理想的焊接接头。只有钢轨焊接质量得到保障，才能更好的保障旅客乘车的安全。

1 焊接缺陷主要形式

焊接缺陷可以分为外观缺陷和内部缺陷。外观缺陷是指不用借助于仪器,从工件表面可以发现的缺陷,主要包括外观质量粗糙，鱼鳞波高低、宽窄发生突变，焊缝与母材非圆滑过渡，推瘤过程中推伤母材。当前焊接方法中存在外观缺陷的主要是气压焊，常见的外观缺陷是错边，有时还会出现推伤母材的情况，但这种焊接方法目前已不再使用。而内部缺陷主要以气孔、夹渣、未焊合、过烧、灰斑、裂纹为主。不同的焊接方法产生的缺陷也不相同。当前钢轨焊接方式主要分为气压焊、铝热焊、闪光焊三种。当前钢轨焊接使用最多的方法是闪光焊，其主要缺陷是内在缺陷，主要以光斑为主。但从外观质量和内在质量综合比较，闪光焊是目前比较理想的一种焊接方法。

2 焊接缺陷产生原因

焊接缺陷产生的原因多种多样，接下来从不同方面对其进行分析。外观缺陷产生原因可以分为人为、自然和冶金因素。目前钢轨焊接，尤其是现场焊接，自然条件比较恶劣，人员操作水平有差异，所以在外观上很难控制。冶金因素主要是钢轨出厂时每一根钢轨在几何尺寸上都会有或多或少的偏差，这种因素是人力无法改变的。而焊接内在缺陷则可分为气孔，夹渣、未熔合、过烧、灰斑等。气孔是焊接时,熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的,也可能是焊接冶金过程中反应生成的。气孔可分为条虫状气孔、针孔、柱孔,按分布可分为密集气孔,链孔等。气孔的生成有工艺因素,也有冶金因素。工艺因素主要是焊接操作是否规范，母材或填充金属表面是否有锈、油污等。由于水分在高温下分解为气体,高温金属中气体含量增加，熔池冷却速度大,气体来不及逸出，形成气孔残留在焊缝中。气孔主要出现在铝热焊中。而冶金因素则是由于在钢轨凝固界面上排出的氮、氢、氧、一氧化碳和水蒸汽等所造成的。此外钢轨焊接完成后还会出现焊后熔渣残存在焊缝中的现象。焊后残留在焊缝中的熔渣,有点状和条状之分.它是由于熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度,当熔化金属凝固时,熔渣未能及时浮出熔池而形成的。它主要存于焊缝之间和焊缝与母材之间.其主要是由于钢轨端面有油污或者灰尘造成的。

未熔合也是一种常见的焊接缺陷。它是由于焊缝金属与母材金属或焊缝金属之间未能完全熔化结合在一起的一种焊接缺陷。铝热焊出现这种情况主要是由于焊剂的选择不当或者焊缝预留量过大以及封箱不严等原因造成的。对于目前的钢轨焊接方法来说，铝热焊主要是由于加热温度不够，不能为铝热反应提供足够的热量，未能达到理想的温度值。而闪光焊和气压焊则属于塑性焊接，其缺陷主要是由于钢轨预留顶锻量不足，顶锻量未达到要求造成的。在当前焊接过程中，气压焊与闪光焊出现未焊合的概率较小。

此外，焊缝中还会出现裂纹，它是指焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面而产生缝隙,它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征.按其方向可分为纵向裂纹、横向裂纹,辐射状裂纹.其主要是冶金因素和力学因素产生的.冶金因素是由于焊缝产生不同程度的物理与化学状态的不均匀,力学因素则是由于火车运行过程中对钢轨的不断冲击，在焊接缺陷处产生应力集中，在不断的冲击下，裂纹不断长大，最终导致钢轨断裂。裂纹在钢轨焊接中出现的概率较小，主要出现在长期运行的铁路运行线上。

此外如果在焊接过程中焊接操作规范使用不当,热影响区长时间在高温下停留,晶粒会变得粗大,形成过热组织。若温度进一步升高,停留时间加长,可能使晶界发生氧化或局部熔化,就会出现过烧组织。过热可通过热处理来消除,而过烧是不可逆转的缺陷，出现过烧的部位，焊缝的强度非常低，很容易发生断裂。

当然在钢轨焊接中出现最多的还是灰斑，它是在焊缝金属的断裂面上出现的灰色条状或者块状的焊接缺陷。其组织脆硬，对焊接质量影响很大。灰斑主要出现在气压焊和闪光焊中，气压焊主要以灰色的斑点为主，闪光焊则主要是白亮的条斑或者点斑，这两种焊接方法属于塑性焊接，其缺陷主要是焊接参数选择不当,操作工艺不正确,焊接技能差，焊接过程中电流电压异常或者焊接过程中高温金属区被氧气氧化所造成的。其主要的一些断口缺陷形貌如下图所示：

图1

图2

图3

图4

图1和图4所示的缺陷在闪光焊中比较常见，主要表现为成片白色条斑和断口平齐，是由于参数配置不合理造成的，平齐断口一般是由于热输入不足造成的。图2所示的为比较大的灰斑，这种缺陷有的时候虽然很大，但一般不会成为裂源，图3所示的缺陷虽然不大，对焊缝强度影响却很大，尤其是当其缺陷延伸到边缘时，则很容易成为裂源。祛除灰斑缺陷一直是闪光焊参数调试过程中不可忽视的一个重要环节。

3 焊接缺陷的危害及预防方法

焊接缺陷对钢轨焊接接头的强度影响很大，不同的缺陷会带来不同的影响，但对于火车运行来说都是非常危险的。所以我们要明确每一种焊接缺陷所带来的危害，并制定相应的预防措施来保证安全。

气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松,从而降低了接头的强度,降低塑性，同时还会引起应力集中,而点状夹渣的危害与气孔相似,带有尖角的夹渣也会产生尖端应力集中,其尖端还可能会发展为裂纹源,要防止其产生，我们需要彻底清理钢轨焊接端面的油污、铁锈、水分和杂物，并使用端面打磨机将钢轨端面彻底打磨，使钢轨焊接端面平整、清洁。

同时未熔合也是一个不可忽视的缺陷，它是一种面积型缺陷、它减少了焊缝的有效截面积,使接头强度下降。为了防止出现这种缺陷，铝热焊焊接时则需要经验丰富的人员操作，并配备红外线测温仪辅助测量。气压焊和闪光焊则要控制好钢轨的预留量，降低钢轨滑动阻力，保证焊接过程能达到设定顶锻值。

而裂纹缺陷对接头强度的影响也非常大，如果钢轨内部存在裂纹，在火车长期运行中，不断的冲击钢轨焊缝，裂纹会不断扩大，焊缝的疲劳程度逐渐增强，当积累到一定程度就会引起钢轨的断裂，危及行车安全。裂纹缺陷一般都是在钢轨使用中出现，钢轨焊接过程中出现的概率很小，所以使用中的钢轨需要按照大修周期定期进行更换。

过烧和灰斑同样也是引起钢轨断裂的很重要的因素，出现过烧的部位，接头强度明显低于正常值，必然成为断裂源，所以在焊瘤的清除过程中务必要做到干净彻底。对于灰斑这种常见的缺陷只能通过细化每一道工序，优化焊接参数来改善。